WO2011136630A1 - Mejoras a celda electrolítica plástica de membrana tipo bipolar - Google Patents

Mejoras a celda electrolítica plástica de membrana tipo bipolar Download PDF

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cathode
plastic frame
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Hermilo Tamez Salazar
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Hermilo Tamez Salazar
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    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
    • C25B9/77—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type having diaphragms

Definitions

  • the object of this invention mainly refers to a structural improvement in a plastic electrolytic cell, which allows it to have a greater functionality and operating efficiency of electrolysis to obtain chlorine, alkalis and a variety of products through the use of a activated titanium electrode and cathode of steel or activated nickel or other metals suitable for the conventional ion exchange process and membranes and in addition to other uses in electrodialysis and electro-oxidation processes of chemical solutions.
  • references cited above refer to cells whose structure differs from that requested, since they are very different and allows independent distribution of feeds at the same time, since it is also possible to visually inspect through the translucent restrictor hoses, the continuity of the flow , as is the same case as product discharges through an upper compartment that allows an over-level that ensures the filling of the anodic and cathodic tank section and separates the zone of turbulence from the membrane area, spilling through the translucent ringed hose that acts as a sight glass and to break the leakage current to the collecting tube.
  • Our improvement also refers to a structure reinforced with protuberances, which serve to maintain the perpendicularity of the seal faces of the anode and cathode partition plate of the plastic frame and also in the grid crosses of the mentioned reinforcements a projection is projected.
  • Figure 1 is a front view of the bipolar membrane plastic electrolytic cell, where most of the parts that comprise it are shown.
  • Figure 2 is a side view of the cell.
  • Figure 3A is a cross-sectional view of the right lateral arrangement of two pressed cells
  • Figure 3B is a cross-sectional view of the left lateral arrangement of two pressed cells.
  • bipolar membrane type electrolytic plastic cell The improvements to this bipolar membrane type electrolytic plastic cell, are based on the configuration of its structure, which allows the independent distribution of the brine feeds, through the use of an activated titanium electrode and an activated steel or nickel cathode or other metals suitable for the ion exchange process and membranes and in addition to other uses in electrodialysis and electro-oxidation processes of chemical solutions.
  • the compartment (8) is the one that allows an over-level that ensures the filling of the anodic and cathodic tank section (not shown) and separates the turbulence zone from the area of the membrane (not shown) spilling down the translucent ringed hose (11) that acts as a sight glass and to break the leakage current to the collecting tube (12).
  • Our improvement also refers to a structure reinforced with a protuberance, which serves to maintain the perpendicularity of the seal faces of the integral plastic injection dividing plate (24) of anode and cathode compartments of the plastic frame (1) and also in at the crossings of the grid of the reinforcements (not shown) mentioned, a pole (20) is projected that serves as support for the meshes (15) of the anode and cathode to maintain the perpendicularity of the next cell, and the minimum separation between electrodes that are required to achieve a lower voltage drop of the electrolytic cell that results in greater current efficiency and saving of electrical energy (KWh).
  • FIG. 1 we can see the structure or preferably rectangular plastic frame (1) indicating the perimeter limit of the cell, where the low relief or depth (2) is indicated, in the entire surface of the frame that allows the formation of the deposit of the anode, where the integrated section of the distributor tube (3) integrated to the plastic frame (1) is represented by one of its lower side faces and, through the connector (4) and the restrictive flow hose (5), feeds on brine to the anode tank, the feed flow is restricted to maintain a residence time required for the electrolysis reaction, and a restriction for current leakage to the distributor (3), the spent brine and the products rise being blocked by the upper left section (6) which has no communication with the deposit of the low relief anode since it is blind, and allowing the discharge of the products and gases through the four perforations (7) that communicate to the upper right compartment that is the gas and liquid separator (8), the feed to the anode deposit can be among others depending on the electrolytes used, TREATED SALMUERA (SODIUM CHLORIDE OR POTASSIUM CHLOR
  • the structure and configuration of the plastic frame (1) in addition to having independent integral discharges, also has a hose connector (13) at the bottom of the cell discharge, to install a sampling that allows the products to be analyzed before of mixing in the general collector, which determines the efficiency of the cell reaction.
  • the anode and cathode electrodes have a plurality of contacts (14) that are welded around its diameter to the mesh (15), which covers the entire surface of the cell which is shown in a single section that corresponds to the electrode of the activated anode.
  • the contact (16) is shown to come from the cathode electrode which has the same descriptions and parts shown for the activated anode electrode, it should be mentioned that only the contact materials (14) and the mesh (15) are different by the characteristics of the reaction, the union of the electrodes of the activated anode and cathode that may or may not be activated, is carried out in a conventional manner with screws and gaskets (not shown) that make electrical contact between them, by means of a plurality of perforations ( 17) evenly distributed along the cell surface below the mesh (15), depending on the equal number of even contacts (14) and (16).
  • the upper support of the plastic frame (19) allows the separation and sliding of the electrolytic plastic cells with bipolar membrane along a lower insulating rail (not shown) of the cell module (not shown), without losing the necessary verticality to maintain the grouping while pressing the cells.
  • two wheels (26) are integrated for sliding them in a pressed module.
  • the plastic frame (1) also presents a series of holes (25) where small plastic bolts are placed that support (not shown) the gaskets and the membrane, which allow it to coincide with other perforations in the same position to be able to join two plastic frames with their respective anodes and cathodes, if they affect the seal area of the compartments.
  • Figure 2 we can see a side view showing the integration of the lower distributor tube (3) and flow restrictor hose (5), discharge hose (11) and upper general collection tube (12).
  • FIG. 3A A side section of the anode is shown in Figure 3A indicating two equal plastic frames (1) where an arrangement can be seen that contains a conventional ion exchange membrane (22) between each plastic frame, which covers the entire surface of the meshes (15) including up to the perimeter area that forms the lower plastic frame of the cell to seal both sides with the gaskets (21), which also make an integral seal with the sections of the upper deposits of the products and gases (8 ).
  • the figure also shows a detail cut of the perforations (7) communicating to the above mentioned compartments.
  • the figure also shows the integral plastic injection divider plate (24) that separates the anode and cathode compartments and that has an arrangement of protrusions or reinforcements that in addition to the resistance of the injection material being polypropylene or other thermoplastic for high mechanical and temperature resistance, a distribution of integral gridded reinforcements is added.
  • Figure 3B shows the lateral section of the cathode indicating two equal plastic frames (1), and the same parts as Figure 3.
  • the use of our device is not intended to be limited to the mentioned applications. but to claim any other that using the same device obtains the aforementioned purposes.

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Abstract

Las mejoras a esta celda electrolítica plástica de membrana tipo bipolar, están basadas en Ia configuración de su estructura, que Ie permite Ia distribución independiente de las alimentaciones de Ia salmuera, ya que es posible además inspeccionar visualmente Ia continuidad del flujo a través de las dos mangueras restrictoras (5) traslúcidas de menor diámetro, así como es el mismo caso que las descargas de productos a través de los dos compartimientos superiores (6) y (8), en donde el compartimiento (8) es el que permite un sobre nivel que asegura el llenado de Ia sección del depósito anódico y catódico (no mostrado) y separa Ia zona de turbulencia del área de Ia membrana (no mostrada) derramando por Ia manguera anillada traslúcida (11) que actúa como mirilla y para romper Ia corriente de fuga al tubo colector (12). Esta mejora se refiere además a una estructura reforzada con una protuberancia, que sirven para mantener Ia perpendicularidad de las caras de sello de Ia placa integral divisoria de inyección de plástico (24) de compartimentos ánodo y cátodo del marco plástico (1 ) y además en los cruces de Ia cuadrícula de los refuerzos (no mostrados) mencionados, se proyecta un poste (20) que sirve como soporte a las mallas (15) del ánodo y cátodo para mantener Ia perpendicularidad de Ia siguiente celda, y Ia separación mínima entre los electrodos activados que se requiere para lograr una caída menor de voltaje de Ia celda electrolítica que se traduce en mayor eficiencia de corriente y ahorro de energía eléctrica (KWh).

Description

MEJORAS A CELDA ELECTROLITICA PLÁSTICA DE MEMBRANA TIPO
BIPOLAR
DESCRIPCIÓN
OBJETO DE LA INVENCIÓN
El objeto de esta invención, se refiere principalmente a una mejora estructural en una celda electrolítica plástica, que le permite tener una mayor funcionalidad y eficiencia de operación de la electrólisis para la obtención de cloro, álcalis y una diversidad de productos mediante el uso de un electrodo de titanio activado y cátodo de acero ó níquel activado u otros metales adecuado al proceso y membranas convencionales de intercambio iónico y además de otros usos en procesos de electrodiálisis y electro-oxidación de soluciones químicas.
ANTECEDENTES
Existen a la fecha distintos tipos de celdas electrolíticas, tal es el caso de la patente mexicana con numero PA/A/2003/008797, titulada ESTRUCTURA ANODICA PARA CELDAS ELECTROLITICAS DE CATODO DE MERCURIO, la cual se refiere a una estructura anódica para celdas de cátodo de mercurio para la electrólisis industrial de cloruro de sodio, que está constituida por una rejilla que comprende una multiplicidad de cuchillas dispuestas verticalmente y recíprocamente paralelas, recubiertas con un revestimiento electrocatalítico específico para la descarga de cloro, donde el objetivo de la invención es reducir al mismo tiempo el consumo. También existe la patente Canadiense con número 1076994 titulada MOLDEADO, CONSERVANDO FORMA Y ELECTROLITO RESISTENTE, PARA LLENADO DEL MARCO DE CELDA POLIMÉRICA PLÁSTICA ELECTROLÍTICA, que incluye una pluralidad de bocas de entrada y de bocas de salida para los líquidos del proceso electrolítico y el medio de montaje para los componentes de la celda posicionada, tales como los electrodos y la membrana, en donde los pasos y las cabeceras, moldeada en las células, transportan el agua y las alimentaciones de la salmuera al cátodo y los compartimientos anódicos, respectivamente, preferiblemente a través de orificios medidores, y de rebosaderos de estos compartimientos mantienen automáticamente niveles deseados del electrólito que al ser utilizadas ayudan a minimizar fugas actuales. Otro caso es la patente española con número U0296350, titulada MENBRANA DE INTERCAMBIO IONICO PARA UNA CELDA ELECTROLITICA, la cual se refiere solo a una membrana de intercambio iónico para una celda electrolítica, que comprende al menos una capa de un primer material destinado a usarse como membrana de intercambio de iones y al menos una capa de un segundo material destinado a reforzar la membrana, siendo sujeta dicha capa reforzante a al menos una cara de la membrana en torno a una superficie periférica de la membrana portadora de junta de estanqueidad. Las referencias citadas anteriormente se refieren a celdas cuya estructura difiere del solicitado, ya que son muy diferentes y permite la distribución independiente de las alimentaciones al mismo tiempo, ya que es posible además inspeccionar visualmente a través de las mangueras restrictoras traslúcidas, la continuidad del flujo, así como es el mismo caso que las descargas de productos a través de un compartimento superior que permite un sobre nivel que asegura el llenado de la sección del depósito anódico y catódico y separa la zona de turbulencia del área de la membrana, derramando por la manguera anillada traslúcida que actúa como mirilla y para romper la corriente de fuga al tubo colector.
Nuestra mejora se refiere además a una estructura reforzada con protuberancias , que sirven para mantener la perpendicularidad de las caras de sello de la placa divisoria de compartimentos ánodo y cátodo del marco plástico y además en los cruces de la cuadrícula de los refuerzos mencionados se proyecta un poste que sirve como soporte a las mallas del ánodo y cátodo para mantener la planicidad y separación mínima entre los electrodos que se requiere para lograr una caída menor de voltaje de la celda electrolítica que se traduce en mayor eficiencia y ahorro de energía eléctrica (KWh).
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
La figura 1 es una vista frontal de la celda electrolítica plástica de membrana tipo bipolar, donde se muestran la mayoría de las partes que la conforman La figura 2 es una vista lateral de la celda.
La figura 3A, es una vista en corte transversal del arreglo lateral derecho de dos celdas prensadas
La figura 3B es una vista en corte transversal del arreglo lateral izquierdo de dos celdas prensadas
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Las mejoras a esta celda electrolítica plástica de membrana tipo bipolar, están basadas en la configuración de su estructura, que le permite la distribución independiente de las alimentaciones de la salmuera, mediante el uso de un electrodo de titanio activado y cátodo de acero ó níquel activado u otros metales adecuados al proceso y membranas de intercambio iónico y además de otros usos en procesos de electrodiálisis y electro-oxidación de soluciones químicas.
ya que es posible además inspeccionar visualmente la continuidad del flujo a través de las dos mangueras restrictoras (5) traslúcidas de menor diámetro, así como es el mismo caso que las descargas de productos a través de los dos compartimientos superiores (6) y (8), en donde el compartimiento (8) es el que permite un sobre nivel que asegura el llenado de la sección del depósito anódico y catódico (no mostrado) y separa la zona de turbulencia del área de la membrana (no mostrada) derramando por la manguera anillada traslúcida (11) que actúa como mirilla y para romper la corriente de fuga al tubo colector (12). Nuestra mejora se refiere además a una estructura reforzada con una protuberancia, que sirven para mantener la perpendicularidad de las caras de sello de la placa integral divisoria de inyección de plástico (24) de compartimentos ánodo y cátodo del marco plástico (1) y además en los cruces de la cuadrícula de los refuerzos (no mostrados) mencionados, se proyecta un poste (20) que sirve como soporte a las mallas (15) del ánodo y cátodo para mantener la perpendicularidad de la siguiente celda, y la separación mínima entre los electrodos que se requiere para lograr una caída menor de voltaje de la celda electrolítica que se traduce en mayor eficiencia de corriente y ahorro de energía eléctrica (KWh).
En la figura 1 podemos observar la estructura ó marco plástico preferentemente rectangular (1) indicando el límite perimetral de la celda, en donde se indica el bajo relieve ó profundidad (2), en toda la superficie del marco que permite la formación del depósito del ánodo, en donde por una de sus caras laterales inferiores se representa la sección integrada del tubo distribuidor (3) integrada al marco plástico (1) y que por medio del conector (4) y la manguera restrictota (5) de flujo se alimenta de salmuera al depósito del ánodo, el flujo de alimentación es restringido para mantener un tiempo de residencia requerido para la reacción de la electrólisis, y una restricción para la fuga de corriente al distribuidor (3), la salmuera agotada y los productos ascienden siendo bloqueados por la sección superior izquierda (6) la cual no tiene comunicación con el depósito del ánodo de bajo relieve ya que es ciega, y permitiendo la descarga de los productos y gases mediante las cuatro perforaciones (7) que comunican al compartimiento superior derecho que es el separador de gases y líquido (8), la alimentación al depósito del ánodo puede ser entre otros dependiendo los electrolitos utilizados, SALMUERA TRATADA (CLORURO DE SODIO Ó CLORURO DE POTASIO) y las descargas o productos, CLORO GAS, SALMUERA AGOTADA u otros dependiendo de los electrolitos, y por el lado del deposito del cátodo, con las mismas descripciones de partes del ánodo, pero distintos materiales y alimentación de AGUA TRATADA y las descargas ó productos, SOSA CÁUSTICA, POTASA, HIDRÓGENO u otros dependiendo de los electrolitos, conjuntamente con una recirculación de SOSA Ó POTASA dependiendo de los electrolitos, para enfriamiento de las celdas a través del mismo tubo distribuidor del agua al depósito del cátodo, que a su vez derraman el electrolito reaccionado por las dos perforaciones (9), y que presenta una conexión tipo brida (10), y una manguera anillada traslúcida que actúa como mirilla (11), para descargar a la sección del tubo colector (12) que forma con la agrupación de marcos plásticos (1) prensados en serie, dicho colector general de celdas esta integrado al marco plástico (1) en la parte superior derecha. La estructura y configuración del marco plástico (1), además de tener las descargas integrales independientes, también presenta un conector para manguera (13) en la parte inferior de la descarga de la celda, para instalar un toma muestras que permite analizar los productos antes de mezclarse en el colector general, lo que determina la eficiencia de la reacción de la celda. Los electrodos ánodo y cátodo tienen una pluralidad de contactos (14) que se encuentran soldados alrededor de su diámetro a la malla (15), que cubre toda la superficie de la celda la cual se muestra en una sola sección que corresponde al electrodo del ánodo activado. El contacto (16) se muestra que proviene del electrodo del cátodo el cual tiene las mismas descripciones y partes mostradas para el electrodo del ánodo activado, cabe mencionar que solo los materiales de los contactos (14) y la malla (15) son diferentes por la características propias de la reacción, la unión de los electrodos del ánodo activado y cátodo que puede sor o no activado, se realiza de manera convencional con tornillos y empaques (no mostrado) que hacen contacto eléctrico entre ellos, mediante una pluralidad de perforaciones (17) distribuidas equitativamente a lo largo y ancho de la superficie de la celda por debajo de la malla (15), en función del número igual de contactos pares (14) y (16). El soporte superior del marco plástico (19), permite la separación y deslizamiento de las celdas electrolíticas plásticas con membrana tipo bipolar a los largo de un riel aislante inferior (no mostrado) del módulo de celdas (no mostrado), sin perder la verticalidad necesaria para mantener la agrupación mientras se realiza el prensado de las celdas. Cabe mencionar que en la parte inferior de las celdas electrolíticas plásticas con membrana tipo bipolar se integran dos ruedas (26) para el deslizamiento de las mismas en un módulo prensado. También presenta el marco plástico (1) una serie de orificios (25) donde se colocan pequeños pernos de plástico que sirven de soporte (no mostrado) a los empaques y la membrana, que le permiten coincidir con otras perforaciones en la misma posición para poder unir dos marcos plásticos con sus respectivos ánodos y cátodos, si afectar el área del sello de los compartimentos. En la figura 2 podemos observar una vista lateral donde se muestra la integración del tubo distribuidor (3) inferior y manguera restrictora (5) de flujo, manguera de descarga (11) y tubo colector general superior (12).
En la figura 3A se muestra un corte lateral del ánodo indicando dos marcos plásticos iguales (1) donde se puede apreciar un arreglo que contiene entre cada marco plástico una membrana convencional de intercambio iónico (22), la cual cubre toda la superficie de las mallas (15) incluyendo hasta el área perimetral que forma el marco plástico inferior de la celda para hacer sello en ambas caras con los empaques (21), que además hacen un sello integral con las secciones de los depósitos superiores de los productos y gases (8). La figura muestra además un corte de detalle de las perforaciones (7) que comunican a los compartimientos superiores mencionados. La figura muestra además la placa integral divisoria de inyección de plástico (24) que separa los compartimientos del ánodo y cátodo y que tiene un arreglo de protuberancias ó refuerzos que además de la resistencia propia del material de inyección de ser polipropileno u otro termoplástico para alta resistencia mecánica y de temperatura, se agrega una distribución de refuerzos integrales cuadriculados.
En la figura 3B se muestra el corte lateral del cátodo indicando dos marcos plásticos iguales (1), y las mismas partes que la figura 3. La utilización de nuestro dispositivo no pretende ser limitativo a las aplicaciones mencionadas sino a la de reclamar toda otra que utilizando el mismo dispositivo obtenga los fines mencionados.

Claims

REIVINDICACIONES Habiendo descrito suficiente mi invención, considero como una novedad y por lo tanto reclamo como de mi exclusiva propiedad, lo contenido en las siguientes cláusulas:
1. Mejoras a celda electrolítica plástica de membrana tipo bipolar, caracterizada por que se compone de al menos un marco plástico preferentemente rectangular (1) indicando el límite perimetral de la celda en donde se indica el bajo relieve ó profundidad (2) en toda la superficie del marco que permite la formación del depósito del ánodo, en donde por una de sus caras laterales inferiores se representa la sección integrada de por lo menos un tubo distribuidor (3) integrado al marco plástico (1) y que por medio del conector (4) y la manguera restrictora (5) de flujo se alimenta de salmuera al depósito del ánodo, en donde el flujo de alimentación es restringido para mantener un tiempo de residencia requerido para la reacción de la electrólisis, y una restricción para la fuga de corriente al distribuidor (3), y la salmuera agotada y los productos ascienden siendo bloqueados por la sección superior izquierda (6) la cual no tiene comunicación con el depósito del ánodo de bajo relieve ya que es ciega, y permitiendo la descarga de los productos y gases mediante las cuatro perforaciones (7) que comunican al compartimiento superior derecho que es el separador de gases y líquido (8), que a su vez derraman el electrolito reaccionado por las dos perforaciones (9), y que presenta una conexión tipo brida (10), y una manguera anillada traslúcida que actúa como mirilla (11), para descargar a la sección del tubo colector (12) que forma con la agrupación de marcos plásticos (1) prensados en serie, en donde por lo menos un colector general de celdas esta integrado al marco plástico (1) en la parte superior derecha; los electrodos ánodo activado y cátodo que puede ser o no activado, tienen una pluralidad de contactos (14) que se encuentran soldados alrededor de su diámetro a la malla (15), que cubre toda la superficie de la celda en una sola sección que corresponde al electrodo del ánodo activado, en donde el contacto (16) proviene del electrodo del cátodo el cual tiene las mismas descripciones y partes para el electrodo del ánodo activado; el soporte superior (19) del marco plástico, permite la separación y deslizamiento de las celdas electrolíticas plásticas con membrana tipo bipolar a los largo de un riel aislante inferior (no mostrado) del módulo de celdas (no mostrado), sin perder la verticalidad necesaria para mantener la agrupación mientras se realiza el prensado de las celdas; también en la parte inferior de la celda se integran dos ruedas (26) para el deslizamiento de las mismas en un módulo prensado.
2. Mejoras a celda electrolítica plástica de membrana tipo bipolar, de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada por que la unión de los electrodos del ánodo y cátodo se realiza por medio de tornillos y empaques que hacen contacto eléctrico entre ellos, mediante una pluralidad de perforaciones (17) distribuidas equitativamente a lo largo y ancho de la superficie de la celda por debajo de la malla (15), en función del número igual de contactos pares (14) y (16).
3. Mejoras a celda electrolítica plástica de membrana tipo bipolar, de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada por que al menos un marco plástico preferentemente rectangular (1), además de tener las descargas integrales independientes, también presenta un conector para manguera (13) en la parte inferior de la descarga de la celda, para instalar un toma muestras que permite analizar los productos antes de mezclarse en el colector general, lo que determina la eficiencia de la reacción de la celda. En la figura 2 podemos observar una vista lateral donde se muestra la integración del tubo distribuidor (3) inferior y manguera restrictora (5) de flujo, manguera de descarga (11) y tubo colector general superior (12).
4. Mejoras a celda electrolítica plástica de membrana tipo bipolar, de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada por que al menos un marco plástico preferentemente rectangular (1), también presenta una serie de orificios (25) donde se colocan pequeños pernos de plástico que sirven de soporte a los empaques y la membrana, que le permiten coincidir con otras perforaciones en la misma posición para poder unir dos marcos plásticos con sus respectivos ánodos y cátodos, si afectar el área del sello de los compartimentos.
5. Mejoras a celda electrolítica plástica de membrana tipo bipolar, de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada por que al menos un marco plástico preferentemente rectangular (1), contiene entre cada marco plástico una membrana de intercambio iónico (22), la cual cubre toda la superficie de las mallas (15) incluyendo hasta el área perimetral que forma el marco plástico inferior de la celda para hacer sello en ambas caras con los empaques (21), que además hacen un sello integral con las secciones de los depósitos superiores de los productos y gases (8).
6. Mejoras a celda electrolítica plástica de membrana tipo bipolar, de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada por que al menos un marco plástico preferentemente rectangular (1), presenta una placa integral divisoria de inyección de plástico (24) que separa los compartimientos del ánodo y cátodo y que tiene un arreglo de protuberancias ó refuerzos que además de la resistencia propia del material de inyección de ser polipropileno u otro termoplástico para alta resistencia mecánica y de temperatura, se agrega una distribución de refuerzos integrales cuadriculados.
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